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在癌細(xì)胞的生存競賽中，有一種特殊的“作弊器”——染色體外DNA（ecDNA）。ecDNA猶如一個游離在細(xì)胞內(nèi)的“外掛程序”，以環(huán)狀小圈的形式攜帶關(guān)鍵致癌基因，幫助癌細(xì)胞“開掛升級”。臨床數(shù)據(jù)顯示，ecDNA存在于30%至50%的惡性腫瘤中，它的存在加劇了腫瘤侵襲性、治療耐藥性和患者死亡率。1965年，研究人員在神經(jīng)母細(xì)胞瘤中觀察到當(dāng)時被稱為“雙微體”的ecDNA。但是，受限于技術(shù)手段，這個與癌細(xì)胞密切相關(guān)的潛在靶點的生物學(xué)意義長期未被闡明。

中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院甘海云團隊首次揭示了ecDNA在腫瘤細(xì)胞中維持生存的關(guān)鍵機制，為理解ecDNA對腫瘤發(fā)生發(fā)展的作用機制提供了新視角，并為開發(fā)靶向ecDNA的抗腫瘤治療策略提供了重要理論依據(jù)。

為破解ecDNA這個癌細(xì)胞“作弊器”的謎題，科研人員設(shè)計了一套研究方案，采用高科技手段在實驗室“復(fù)刻”ecDNA：通過CRISPR基因編輯技術(shù)，精準(zhǔn)剪下染色體上的特定DNA片段，讓細(xì)胞自身以“一條直線首尾粘成圓圈”的形式將其修復(fù)成環(huán)狀；進而在試管內(nèi)合成大小接近天然ecDNA的DNA環(huán)，再通過特殊方法把它送進細(xì)胞內(nèi)，相當(dāng)于給細(xì)胞安裝了“外掛程序”。

在構(gòu)建合適的細(xì)胞系后，該研究建立了正常細(xì)胞與攜帶ecDNA的細(xì)胞、正常染色體DNA與被剪切成ecDNA的同款DNA、腫瘤細(xì)胞與攜帶ecDNA的腫瘤細(xì)胞3個對照組。進一步，研究通過對ecDNA這個“作弊器”進行“犯罪現(xiàn)場調(diào)查”，使用兩種實驗方法觀察并鎖定ecDNA復(fù)制的相關(guān)蛋白質(zhì)發(fā)現(xiàn)，攜帶ecDNA的細(xì)胞對DNA損傷應(yīng)答關(guān)鍵因子的抑制劑更加敏感，這些抑制劑能夠降低細(xì)胞內(nèi)ecDNA的含量并有效殺傷攜帶ecDNA的細(xì)胞。

該研究在鑒定出的蛋白質(zhì)中發(fā)現(xiàn)有很多DNA損傷應(yīng)答相關(guān)的因子，這是否意味著ecDNA更易出現(xiàn)DNA損傷？ecDNA是通過哪種途徑去修復(fù)這些損傷？帶著這些疑問，研究揭示了ecDNA在癌細(xì)胞中持續(xù)存在的關(guān)鍵機制。研究發(fā)現(xiàn)，ecDNA高復(fù)制和高轉(zhuǎn)錄水平導(dǎo)致DNA結(jié)構(gòu)異常，使得ecDNA比染色體DNA更易發(fā)生斷裂。ecDNA利用細(xì)胞中較少使用的“應(yīng)急修復(fù)工具箱”來維持生存。這是快速但易出錯的“自我修復(fù)”方式，在正常細(xì)胞中只是作為備用方案。正是這種“將錯就錯”的修復(fù)方式，讓ecDNA既能保持環(huán)狀結(jié)構(gòu)繼續(xù)“作惡”，又在修復(fù)過程中不斷積累新的突變，使腫瘤變得越來越惡性。這就像給癌細(xì)胞裝了“變異加速器”，讓它們能更快地進化出耐藥性等危險特性。這解釋了ecDNA陽性的腫瘤往往更具侵襲性的原因，為開發(fā)針對ecDNA修復(fù)機制的新型抗癌藥物提供了線索。

基于上述特性，該研究探討了治療ecDNA陽性腫瘤的可行性方法。通過使用不同靶標(biāo)蛋白的抑制劑進行處理，研究證實此類干預(yù)策略能夠顯著降低ecDNA陽性腫瘤細(xì)胞內(nèi)的ecDNA水平。

這一研究闡明了腫瘤細(xì)胞中ecDNA的獨特生物學(xué)特性，揭示了ecDNA通過平衡態(tài)調(diào)控參與腫瘤發(fā)生發(fā)展的分子機制，為臨床轉(zhuǎn)化提供了新靶點。

4月28日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《細(xì)胞》（Cell）上。

ecDNA維持的分子機制示意圖